Série - M. Ndong (PRF/SL) - Physique Chimie au lycée par Wahab

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P1-CINEMATIQUE DU POINT
PC A DOMICILE - 779165576 WAHAB DIOP LSLL
TRAVAUX DIRIGES TERMINALE S
Connaissance du cours
1 Répondre par vrai (V) ou faux (F) en cochant la bonne case
E
A
On considère le mouvement d’un mobile décrivant une trajectoire curviligne ou non.
V
F
a) Le vecteur vitesse est toujours tangent à la trajectoire au point considéré.
b) Dans un mouvement curviligne, le vecteur accélération peut être tangent à la
trajectoire au point considéré.
c) Une accélération tangentielle nulle implique un mouvement uniforme.
→ →
d) Si a . v < 0, le mouvement est retardé.
e) Une accélération tangentielle constante implique toujours un mouvement
rectiligne uniformément retardé ou accéléré.
f) Le vecteur accélération normal est toujours dirigé vers l’intérieur d’une
trajectoire curviligne
g) Si, à l’instant t, la vitesse d’un mobile est nulle, alors son accélération est aussi
nulle
A
E
A
A
E
A
→
2 Sur différentes portions de trajectoires, on a représenté le vecteur vitesse v et le vecteur accélération
A
E
A
A
E
A
→
a d’un point mobile. A chacun des 6 cas de figures suivantes, remplir la case correspondante en indiquant la
nature de la trajectoire (rectiligne, curviligne, circulaire) et la nature du mouvement (uniforme,
uniformément accéléré, uniformément retardé, incohérent ).
A
E
A
→
v
A
→
a
E
A
→
a
A
→
v
E
A

→
v
A
→
v
E
A
→
a
E
→
a
A
A
E
E
→
v
A
A
→
v
E
A
→
a
E
A

A
A
E

E


E
A
→
a

E
Nature de la
trajectoire
Nature
du
mouvement
M. Diop – http: physiquechimie.officelive.com
(C) Wahab Diop 2013
1
Document D. NDONG/PRF/SL
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CINEMATIQUE DU POINT
A
E
A
Dans un mouvement rectiligne uniforme
V
F
→
a) la norme du vecteur vitesse || V || est constante.
→
b) le vecteur vitesse V est constant
c) la norme du vecteur accélération est constant et strictement positive.
d) le vecteur accélération est normal à la trajectoire au point considéré.
A
A
E
E
A
A
A
E
A
Dans un mouvement circulaire uniforme
V
F
→
a) la norme du vecteur vitesse || V || est constante.
→
b) le vecteur vitesse V est constant.
→
c) le vecteur accélération a est constant.
A
A
E
E
A
A
A
E
A
d) l'accélération tangentielle a est nul.
→
e) la norme du vecteur accélération || a || est constante.
→
f) le vecteur accélération a est normal à la trajectoire au point considéré.
g) le vecteur accélération est centripète.
h) la période T du mouvement est proportionnelle à la vitesse V.
T
A
A
E
E
A
A
5 Un enfant laisse tomber un objet par la fenêtre d'un train en marche sur une voie rectiligne horizontale.
A
E
A
Que peut-on choisir comme référentiel d'espace et comme repères (espace et temps) pour étudier aussi
simplement que possible le mouvement du centre d'inertie de l'objet ?
6 Définir la base de FRENET. Donner dans cette base les composantes du vecteur accélération.
A
E
A
7 Que peut-on dire du vecteur vitesse d'un mobile dont la distance à un point O est constante ? justifier.
A
E
A
→
8 Que peut-on dire du vecteur accélération d'un mobile pour lequel || v || = constante ? justifier.
A
E
A
A
E
A
9 Un mobile M est animé d’un mouvement rectiligne uniformément varié tel que a = 5 m.s-2, V 0 = 2 m.s-1 et
A
E
A
P
P
R
P
P
R
x 0 = 5 m où V 0 et x 0 sont respectivement la vitesse et l'abscisse du mobile à la date t = 0.
R
R
R
R
R
R
Déterminer, pour ce point mobile, les équations horaires v(t) et x(t).
A
10 Une roue de rayon R = 50 cm tourne à la vitesse constante de 3 tours par seconde autour de son axe qui
E
A
reste fixe. Déterminer :
2
(C) Wahab Diop 2013
1) sa vitesse angulaire ω.
2) la vitesse V et l’accélération a d’un point à la périphérie de la roue.
11 Pendant le freinage, une voiture, lancée à la vitesse V = 90 km.h-1, parcourt 100 m avant de s’arrêter. En
A
E
A
P
P
supposant que le mouvement est uniformément varié, calculer l’accélération de la voiture.
Objectif BAC
12 Chercher dans les représentations graphiques suivantes :
A
E
A
1) Celles qui correspondent à un mouvement uniforme.
2) Celles qui correspondent à un mouvement uniformément accéléré.
3) Celles qui correspondent à un mouvement uniformément retardé.
x
0
v
t
A
v
0
v
t
B
v2
x
0
t
D
0
0
t
E
0
C
F
t
x
13 Les équations paramétriques (en unités S.I.) d'un mobile M se déplaçant dans un plan muni d’un repère
E
A
y = -3t2 + 15t

2
x=t +2
→ →
orthonormé (O, i , j ) sont :
A
E
A
A
E
A
A
E
1) Calculer la vitesse moyenne V moy du mobile entre les instants t1 = 2 s et t2 = 5 s.
R
R
2) Calculer l'accélération moyenne a moy entre ces mêmes instants.
R
A
R
14 Le vecteur position d'un mobile M se déplaçant dans un plan muni d'un repère orthonormé
E
A
→ →
→
(O, i , j ) est : OM
A
E
A
A
E
A
A
 x = 2t
 y = 2t2 -5t

z=3
(x et y en mètres et t en secondes)
3
(C) Wahab Diop 2013
E
1) Montrer que le mobile se déplace dans un plan et définir ce plan.
2) Établir l'équation cartésienne de la trajectoire du mobile ; quelle est la nature de la trajectoire ?
3) A quel instant le mobile passe-t-il au point d'abscisse x = 10 m ? calculer sa vitesse à cet instant.
4) A l'instant t = 0, le mobile se trouve à son point de départ. En combien de temps parcourt-il la distance
d=5m?
15 Les équations paramétriques (en unités S.I.) d'un mobile M se déplaçant dans un plan muni d'un repère
A
E
A
x = 3t

2
y = - t +2t
→ →
A
E
A
A
E
A
A
E
1) Établir l'équation cartésienne de la trajectoire du mobile ; quelle est la nature de la trajectoire ?
2) Calculer la vitesse du mobile au sommet de sa trajectoire.
3) Calculer la vitesse du mobile au point d'ordonnée y = 1 m.
4) Calculer l'accélération du mobile. Pour quelle(s) valeur(s) de t le mouvement est-il accéléré ? retardé ?
16 Les équations paramétriques (en unités S.I.) d'un mobile M se déplaçant dans un plan muni d'un repère
A
E
A
→ →
A
E
A
A
E
A
x = 3t

2
y = t -1
A
E
1) Calculer la vitesse du mobile à l' instants t = 2 s.
→
2) Calculer les composantes tangentielle a T et normale a N de l'accélération a
R
R
R
A
E
A
R
du mobile dans la base de
→ →
Frenet (M, T , N ) à l' instants t = 2 s. En déduire la valeur du rayon de courbure ρ de la trajectoire à t = 2 s.
A
17
A
E
A
A
E
A
A
Le diagramme temporel de la vitesse d'un point décrivant une trajectoire rectiligne est donné par le
E
diagramme ci- contre.
v(m.s-1)
1) Déterminer graphiquement la distance parcourue
par le point mobile pendant les deux premières
secondes. Pour cela montrer que la distance
correspond à la valeur de l'aire limitée par OA,
l'axe des abscisses et l'ordonnée du point A.
P
15
A
B
10
2) Calculer également la distance totale parcourue
aux dates t = 3 s et t = 4 s.
5
O
3) Déterminer les accélérations (éventuelles) du
point et tracer le diagramme a = f(t).
A
P
0
1
2
3
4
C
t(s)
18 Un mobile est animé d'un mouvement rectiligne sinusoïdal d'amplitude X m = 15 cm et de période T = 2s.
E
A
R
R
A l'instant t = 0, le mobile est à sa position d'élongation maximale.
4
(C) Wahab Diop 2013
1) Écrire l'équation horaire du mouvement.
2) Calculer l'élongation, la vitesse et l'accélération du mobile à l'instant t = 0,5 s.
3) A quels instants le mobile passe-t-il pour la première fois, pour la deuxième fois, pour la troisième fois au
point d'abscisse x = -7,5 cm ?
Calculer la vitesse du mobile et son accélération à ces différents instants.
19 Un mobile est animé d’un mouvement rectiligne sinusoïdal sur l’axe x’x. Son élongation à la date t est
A
E
A
donnée par x (t) = Acos(ωt) + Bsin(ωt). x est en mètres et t en secondes.
A la date t = 0 le mobile passe par l’élongation x = 4 cm à la vitesse V 0 = 6 π cm.s-1 et se déplace dans le sens
R
P
P
R
2
-2
positif de l’axe x’x. L’accélération du mobile à cette date t = 0 est a = -16 π cm.s .
P
P
P
P
1) Calculer la valeur de A, B et ω.
2) Mettre l’équation horaire du mouvement sous la forme x(t) = X m cos(ωt + ϕ). Donner son expression
R
R
numérique.
3) Calculer l’accélération a du mobile à la date t = 1 s.
→ →
20 On donne l'équation horaire du mouvement d'un mobile par rapport au repère (O, i , j ).
A
E
A
A
 x = 3+2cos(4πt)

 y = 1- 2sin(4πt)
E
A
A
E
A
E
A
1) Montrer que la vitesse du mobile est constante et la calculer.
2) Montrer que l'accélération du mobile est constante et la calculer.
3) Quelle est la nature de la trajectoire du mobile ? donner ses caractéristiques.
4) Quels sont les direction et sens du vecteur accélération ?
21 Un automobiliste roule à la vitesse constante V A = 90 km.h-1 sur une route où la vitesse est limitée à 60
A
E
A
R
-1
R
P
P
km.h . Un motard de la gendarmerie part à sa poursuite. Il démarre au moment précis où le motard passe
devant lui. Le motard est animé d'un mouvement rectiligne uniformément accéléré tel qu'il atteint la vitesse
de 108 km.h-1 en 10 secondes.
P
P
P
P
P
P
1) Calculer la durée de la poursuite.
2) Calculer la distance d parcourue par le motard lorsqu'il rattrape l'automobiliste. Que vaut alors la vitesse
V M du motard ?
R
A
R
22 Une petite fusée est lancée, moteur coupé, avec une vitesse V 0 = 40 m.s-1 suivant une direction faisant
E
A
R
P
P
R
un angle α = 30° avec l'horizontale.
1) Déterminer le temps nécessaire à la fusée pour atteindre son altitude maximale (encore appelée flèche du
tir). Calculer son altitude maximale H.
5
(C) Wahab Diop 2013
2) Lorsque la fusée atteint sa flèche, son moteur se déclenche et éjecte des gaz ; ce qui la propulse
horizontalement.
La vitesse de translation de la fusée par rapport au repère terrestre vaut V = 100 m.s-1. La vitesse
R
1
R
d'éjection des gaz par rapport à la fusée vaut V 2 = 30 m.s-1.
R
R
Calculer la vitesse V d'éjection des gaz par rapport au repère terrestre.
23
A
E
Un touriste (A) se promène au bord d'un lac ; il
aperçoit une personne qui se noie (B). Pour venir à son
aide il court sur la rive à la vitesse v constante et
nage à la vitesse kv constante (k< 1).
Déterminer la relation liant les angles i 1 et i 2 afin que
la durée du trajet soit minimale. L'abscisse de M est
notée x.
R
R
R
R
24 Un secouriste A arrêté sur la plage aperçoit un enfant B en train de se noyer dans un lac.
A
E
A
Le secouriste A veut porter secours à l’enfant le plus rapidement possible.
Pour y parvenir, deux possibilités s’offrent à lui :
ère
. 1 possibilité : se jeter immédiatement à l’eau
(trajet AB) ;
UP
PU
B
U
. 2ème possibilité : se rapprocher de l’enfant en
courant sur la berge avant de se lancer à l’eau. (trajet ACB).
PU
UP
U
La personne A nage à la vitesse V 1 = 3,6 km.h-1 et peut se
déplacer en courant sur le bord de l'eau à la vitesse
V 2 = 18 km.h-1 .
R
R
R
P
R
P
P
P
A
On donne : AH = 16 m et HB =12 m
U
x
C
H
U
Parmi ces deux possibilités laquelle permet de sauver le plus rapidement possible l’enfant ?
Indication : On déterminera la distance minimale x qu’il doit parcourir sur le bord de l'eau avant de se jeter
à l’eau. Cette distance x doit correspondre au trajet le plus court (de durée minimale). Pour vérifier,
comparer le durée du trajet pour chacune des possibilités.
U
U
25 Un ballon sonde a une vitesse verticale v 0 indépendante de
A
E
A
R
R
l'altitude. Le vent lui communique un e vitesse hotizontale v 1 = kz
proportionnelle à l'altitude atteinte.
1) Déterminer les lois horaires du mouvement et
déterminer l'équation de la trajectoire.
2) Déterminer l'accélération. Comment évolue le rayon de
courbure ?
R
6
(C) Wahab Diop 2013
R
vecteur vitesse tangent à la trajectoire
Composantes de l'accélération : dériver par rapport au temps les
composantes du vecteur vitesse
Composantes de l'accélération dans le repère de Frenet :
7
(C) Wahab Diop 2013
(C) Wahab Diop 2013
8

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